基于密度法測(cè)量原油含水率的檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)長(zhǎng)慶油田油井的實(shí)際工況，根據(jù)密度法測(cè)量石油含水率原理，設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)井口外輸原油混合液密度的檢測(cè)儀，并對(duì)該測(cè)量方法進(jìn)行了誤差分析，評(píng)估了該測(cè)量儀所適用的范圍。實(shí)踐證明，該測(cè)量?jī)x既能動(dòng)態(tài)地實(shí)時(shí)測(cè)量，又能靜態(tài)地實(shí)現(xiàn)取樣測(cè)量外輸原油含水率。
關(guān)鍵詞：密度法測(cè)量；石油含水率；檢測(cè)儀；誤差分析

石油在開采、集輸、計(jì)量、煉化等過程中，都要求檢測(cè)石油的含水率。石油含水率的檢測(cè)，對(duì)于確定油井出水、出油層位、估計(jì)原油產(chǎn)量、預(yù)測(cè)油井的開發(fā)壽命等，都具有很重要的意義。及時(shí)準(zhǔn)確地原油含水率檢測(cè)數(shù)據(jù)，不僅能夠反映出油井的工作狀態(tài)，而且對(duì)管理部門減少能耗，降低成本，實(shí)現(xiàn)油田自動(dòng)化管理也起著重要的作用。近幾年，國內(nèi)外已先后采用電容、超聲波、微波、短波等方式，開發(fā)出了各種各樣的石油含水率檢測(cè)儀器。但由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，這些測(cè)量?jī)x器開發(fā)時(shí)缺乏針對(duì)性，開發(fā)過程與用戶現(xiàn)場(chǎng)沒有很好地結(jié)合，現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)也不會(huì)及時(shí)，使得這些檢測(cè)儀器距離實(shí)際應(yīng)用還存在著不少差距。本文根據(jù)密度法測(cè)量原理，針對(duì)長(zhǎng)慶油田油井的實(shí)際工況，研發(fā)了一種能夠符合三級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的原油含水率檢測(cè)裝置。該裝置主要用于在線測(cè)量油井口外輸石油的含水率，可以極大地提高測(cè)量效率，有效地減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 石油含水率的數(shù)學(xué)模型
通過采油樹從井口出來的原油，屬油、水、氣三相混合液體。當(dāng)原油通過井口降回壓裝置、過濾罐進(jìn)入油槽內(nèi)時(shí)，由于經(jīng)過兩次除砂、除氣過濾，油槽內(nèi)的混合液就可以忽略氣體的存在而成為油、水兩相混合液，據(jù)此即可建立石油含水率的數(shù)學(xué)模型。
設(shè)含水原油的體積為V，密度為ρ，含水原油中純油的體積為Vo，密度為ρo，質(zhì)量為Mo，水的體積為Vw，密度為ρw，質(zhì)量為Mw。于是有：

由上兩式可見，由于純油和純水的密度ρo和ρw一般為常數(shù)，原油含水率與其密度ρ呈線性關(guān)系。因此，只要測(cè)得含水原油密度ρ，即可求出原油體積含水率和質(zhì)量含水率。

2 測(cè)量?jī)x硬件設(shè)計(jì)
2．1 測(cè)量?jī)x系統(tǒng)原理圖
根據(jù)密度法測(cè)量石油含水率原理，該測(cè)量?jī)x系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1中，AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能8位COMS微控器，具有8 KB的FLASH存貯器，256 B RAM，32位I／O口線，1個(gè)看門狗定時(shí)器等；ICL7135是一種4位半高精度雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，其在單極性下，最高時(shí)鐘頻率為1 MHz時(shí)，轉(zhuǎn)換速率為25次／s，對(duì)三個(gè)傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：壓力傳感器的精度等級(jí)為1‰，量程為0～5 kPa；液位傳感器的精度等級(jí)為1‰，量程為0～500 mm；溫度傳感器精確度為1℃。
整個(gè)系統(tǒng)通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算處理，三個(gè)傳感器分別對(duì)原油的壓力、液位、溫度檢測(cè)，并經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的BCD碼輸入到單片機(jī)，單片機(jī)按照程序設(shè)定好的數(shù)學(xué)模型計(jì)量出原油體積含水率和質(zhì)量含水率后送液晶屏顯示或打印機(jī)打印。另外通過鍵盤可輸入系統(tǒng)參數(shù)和顯示畫面切換。
2．2 測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)油田油井上的實(shí)際應(yīng)用情況，該測(cè)量裝置安裝在井口降回壓裝置上，即將壓力傳感器和液位傳感器分別安裝在降回壓裝置上一個(gè)500 mm×800 mm×500 mm的長(zhǎng)方體槽內(nèi)底部，如圖2所示。